O que é o Universo das
Partículas
A Eterna Busca da Unidade
Gilvan A. Alves
Lafex/CBPF
1
O Objetivo da Física de Partículas
Do que o mundo
é feito??
Leucipo (Demócrito – 400AC)
Átomos e Vazio
Gilvan A. Alves 2009
Empédocles (450 AC)
4 Elementos e Éter
2
Platão e Aristóteles (350 BC)

Rejeitam o atomismo


Adotam o pluralismo


Galileu Galilei (1600)

Vazio não natural
Elementos  Sólidos regulares
Domina o pensamento até o
fim da idade média
Método científico




Experimentos quantitativos
Análise matemática
Contesta Aristóteles
Atomismo (parcialmente)
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3
John Dalton (1808)

Estabelece as Bases da Teoria Atômica Moderna


Síntese dos Experimentos
Lavoisier


Proust




Conservação das Massas
Lei das proporções definidas
Os elementos são constituídos de átomos
Os átomos não podem ser criados ou destruídos
Átomos de diversos elementos podem se combinar
em substâncias compostas
Dmitri Mendeleyev (1869)

Criou a 1ª Tabela Periódica

Previu a existência de novos elementos
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4

Problemas, problemas...



Dezenas de “Átomos”
Estados excitados
J.J.Thompson (1897)
 Início da Física de Partículas



Descoberta do elétron
Modelo de Thompson
Ernest Rutherford (1911)

Modelo nuclear
 Mais problemas


irradiação
Niels Bohr (1913)

Modelo pré-quântico
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5
Rutherford (1918) e Chadwick (1932)
• prótons e nêutrons
Partículas Elementares – novos átomos
• p, n, e- ,   espalhamento Compton
• breve simplicidade
• Anderson (1932) – pósitron (e+) Dirac

Problemas (de novo) – Estabilidade nuclear

Magnitude das Interações Fundamentais




EM x Gravitacional
k e2/R x G m2/R
1 x 10-38 !!
Nova força (interação forte)


Curto alcance – restrita a escala nuclear
O que determina o alcance de uma força???


TQC – Interação  troca de “mensageiro”
Massa do mensageiro  alcance


Et = mc2 Rv-1 ~ ħ
R  10-15m  m  200 me - Potencial de Yukawa
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
1937 – 1947 procura pelo méson
de Yukawa em Raios Cósmicos
A grande “pegadinha” da natureza
 1937 – Anderson  “méson” ~ 200
me – raios cósmicos
 1945 – Conversi, Pancini & Piccioni
– Interação fraca   10-6 s !!
 1946 – Perkins – dois tipos de
mésons

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7

1947 - Lattes, Occhialini & Powell
decaimento   
  (Anderson) == elétron pesado
 “Who ordered that??” I.I.Rabi

Falta alguma coisa...
    + ?

W. Pauli (1930) Decaimento beta
partícula neutra (neutrino - )
 Seria a mesma partícula??


Frederick Reines & Clyde Cowan (1956)
+
 1ª observação direta  + p  n + e
 Leon Lederman (1962)
 μ  e
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8

(1947-1950) Partículas estranhas (mesmo)
 Produzidas em pares
 Vida média extremamente elevada
 K0  + + - (  10-10 s)
 0  + + - (  10-23 s)
 Uma família de partículas estranhas
 K0, K+, K-, , +, +, -, -, ...

Abraham Pais & Murray Gell-Mann (1953)  novo número quântico – s

Conservado pela Interação forte


Produção em pares
Partículas estranhas decaem via Interação fraca (decaimento beta)

Vida média
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9

(1960) Física de Partículas está uma enorme confusão
 Centenas de partículas



bárions, mésons, léptons, ...
Nenhuma ordem aparente
Murray Gell-Mann & Yuval Ne’eman (1961)

regra do octeto (simetria SU(3))
 classificação das partículas – Q, S, J
 nova tabela periódica
 prevê a existência de novas
partículas (-)
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
O sucesso da regra do octeto levanta novamente a questão


São essas partículas elementares?
 “Young man, if I could remember the names of these particles, I would
have been a botanist” E. Fermi
Kazuhiko Nishijima, Murray Gell-Mann & George Zweig (1964)

Hádrons compostos por férmions (spin ½ ) fundamentais (quarks)

“Three quarks for Muster Mark” – Finnegans Wake (James Joyce)
Bárions  três quarks
 Mésons  quark-antiquark

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
Mais Problemas (não tem fim)

Não se observam quarks livres
 quarks tem carga fracionária
 Violam o princípio de Pauli??

- (s↑ s↑ s↑) - (d↑ d↑ d↑), ++ (u↑ u↑ u↑)

Até hoje não foram observados quarks livres ou carga fracionária

Oscar Greenberg (1964)

quarks tem um novo nº quântico (cor)
 três cores fundamentais (R, G, B)
 partículas observáveis não tem cor  confinamento

- (s↑ s↑ s↑)

Socorro!!
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e
e-

+
(1969) espalhamento e-p a
altas energias  Rutherford

partons = quarks??

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
(1974) Descoberta de uma partícula com propriedades incomuns

Revolução de Novembro

Samuel Ting (Brookhaven) pp  e+e-

Burton Richards (SLAC) e+e-  pp
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
propriedades incomuns
Massa elevada  3.1 GeV (próton  1 GeV)
 Vida média elevada ( 1000x)




Semelhante as partículas estranhas
Novo número quântico – c (charme)
Proposto por Glashow, Iliopoulus & Maiani (1970)

simetria quarks  léptons
u
e 
d s
e 

Anomalias no decaimento K0  +-
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
O maior problema foi achar um nome...
 Ting – méson J
 Richter – méson ψ
 no fim – méson J/ψ

Novas partículas contendo charme (1975)
Mas antes outra “pegadinha”


Descoberta do lépton  (1975)

u
c
?
e  

d
s
?
e




1977 – Lederman et al.  
1995 – DØ & CDF  top quark
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17
Vitórias do Modelo Padrão

Impressionante acordo com dezenas
de medidas experimentais





Incluindo a massa do top
Produção de quarks pesados
Jatos
Assimetrias W, Z
...
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Problemas
Simetria Interna (calibre): previne anomalias
 Qualquer massa quebra a simetria
SU(3)C x SU(2)L x U(1)Y

CDQ
Eletrofraca
Quebra espontânea
EDQ + Fraca
Mecanismo de Higgs
Solução mais econômica
V() = 22/2 + 4/4 (vev≠0)
•Um único escalar com massa = 2 v
•Termos de massa para W±, Z ( v)
•Interação com férmions  massa ( v)
Mas...
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

Artificial: forma do potencial, acoplamento, etc.
Massas não determinadas.

Massa do Higgs < 1 TeV para evitar anomalias
Higgs
Higgs
Violação da unitaridade
 ~ E2
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Restaura a unitaridade
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• Massa do Higgs sofre correções por sua interação
• mH < 1TeV exige ajuste preciso (artificial)   1019 GeV
•Problema da hierarquia
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Vejamos um exemplo

Peça a 10 amigos para escolherem um número irracional
no intervalo [ -1 , 1]
Some os 10 números

Qual a probabilidade da soma ser menor que 10 -32 ?



Extremamente pequena a menos que eles tenham combinado
O mesmo se aplica ao cancelamento das correções radiativas
à massa do Higgs.

Não pode ser pura sorte...
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Existem mais Problemas
Matéria=Antimatéria
Violação de CP não é suficiente
Matéria !
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Matéria Escura
Não é compatível com partículas ordinárias
•Supersimétricas??
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Como resolver esse dilema???

Supersimetria

Perfeita simetria


~ MPl2
mH2 ~
férmions e bósons
cancelamento
férmion
mH2 ~

bóson
~ - MPl2
Novas partículas
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Dimensões extras

Motivação - Supercordas



GravitaçãoD.E.
Escala de unificação ==
Eletrofraca
Muitos modelos


Muitos efeitos
Ressonâncias KK





Cordas
Gráviton
Mini-buracos negros
Energia perdida
...
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Parece confuso??
Qual a solução??
 Estudar
a escala de energia TeV
 LHC
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O LHC (Large Hadron Collider)



Large
 27 km de circunferência
Hadron
 prótons
 ions
Collider
 ~ 7 x mais energia
 ~ 100 x mais
luminosidade
 Comparado ao Tevatron
Próton - Próton
a √s = 14 TeV
Luminosidade ~
~100 fb-1 / expt / Ano
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28
Gilvan A. Alves 2009
29
Porque O LHC é Importante?



Escala de energia quebra de simetria  1TeV
 Higgs ou outro mecanismo
Massa do Higgs  1TeV
 Unitaridade
 Outro processo cancela anomalias
Partículas Supersimétricas
 Massas  TeV

h?

Estudo sistemático da violação de CP

Potenciais candidatos a Matéria Escura

Buracos negros, dimensões extras….
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Detectores Gerais
Semelhanças:
1- Det. Posição
2- Calorímetros
3- Câmaras de Muon
ATLAS
Diferenças:
Tamanho : CMS “compacto”
Campo Magnético
ATLAS tem um toróide
Calorímetro Eletromagnético:
CMS cristais. ATLAS Argônio Liquido
Det. De posição externos
CMS silício. ATLAS câmara a fios Gilvan A. Alves
2009
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Detectores Especializados
ALICE
•
•
•
Desenhado para estudar colisões de
ions pesados (e.g. Pb-Pb ou Au-Au)
Produção de um novo estado da
matéria – o plasma de quarks-gluons
Quarks não mais confinados no
interior de hádrons sem cor
LHCb
•
•
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Detector assimétrico para a física de
mesons B
Violação de CP
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Solenoide
supercondutor
Calorímetros
180 instituições
38 países
2000 físicos
Peso:12.500 t
Diâmetro: 15m
Comprimento: 22m
Campo magnético: 4T
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Detectores de Silício
Calorímetro EM
instalado em Junho/08
Detectores de Pixel instalados
Calorímetro Hadrônico
Detectores de Múons
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•
•
Retorno na operação do LHC
– Baixa energia (5 TeV)
– Baixa luminosidade 1032 cm-2 s-1
– Primeiras colisões
Calibração dos detectores
– Partículas do Modelo Padrão
• W, Z (resolução p/massa)
• Top, B, etc. (resolução de posição, vértices)
•
– Energia perdida, Jatos
Início da Procura pelo Higgs
•
Partículas Supersimétricas
•
Estudo sistemático da violação de CP
•
Potenciais candidatos a Matéria Escura
•
Buracos negros, dimensões extras….
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Estratégia de Procura
MH < 140 GeV
130<MH<500 GeV
Gilvan A. Alves 2009
MH > ~500 GeV
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Potencial de Descoberta no LHC
Squarks , Gluinos
Massas entre
2.5-3.0 TeV @ 300 fb-1
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Dimensões Extras
Gravitação Forte
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Produção de
Grávitons
Ressonâncias
BN
…
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Mini buraco negro no LHC
Eventos mais isotrópicos:
Muitos Fótons, Jatos, etc.
Decaimento ~ 10-27s
Os Detectores o Mundo estão
a salvo
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
Estamos vivendo uma época maravilhosa
Grandes descobertas foram feitas
O Modelo Padrão é uma façanha impressionante
Muitas questões ainda em aberto

Soluções
Estas questões levaram a um grande desenvolvimento
teórico e experimental

LHC
O LHC representa a nossa melhor ferramenta experimental
para atacar estes problemas
A era de especulação está acabando: O LHC dará seu
veredicto
Gilvan A. Alves 2009
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